2020高考数学 八个无敌模型——全搞定空间几何的外接球和内切球问题

八个有趣模型——搞定空间几何体的外接球与内切球

类型一、墙角模型（三条线两个垂直，不找球心的位置即可求出球半径）

图1

图2

图3

方法：找三条两两垂直的线段，直接用公式2222)2(c b a R ++=，即2222c b a R ++=，求出R 例 1 （1）已知各顶点都在同一球面上的正四棱柱的高为4，体积为16，则这个球的表面积是（ C ）

A ．π16

B ．π20

C ．π24

D ．π32

（2）若三棱锥的三个侧面两垂直，且侧棱长均为3，则其外接球的表面积是

π9

解：（1）162==h a V ，2=a ，24164442222=++=++=h a a R ，π24=S ，选C ； （2

）933342=++=R ，ππ942==R S

（3）在正三棱锥S ABC -中，M N 、分别是棱SC BC 、的中点，且MN AM ⊥,若侧棱

SA =,则正三棱锥ABC S -外接球的表面积是 。π36

解：引理：正三棱锥的对棱互垂直。证明如下：

如图（3）-1，取BC AB ,的中点E D ,，连接CD AE ,，CD AE ,交于H ，连接SH ，则H 是底面正三角形ABC 的中心，∴⊥SH 平面ABC ，∴AB SH ⊥，

BC AC =，BD AD =，∴AB CD ⊥，∴⊥AB 平面SCD ， ∴SC AB ⊥，同理：SA BC ⊥，SB AC ⊥，即正三棱锥的对棱互垂

直，

本题图如图（3）-2， MN AM ⊥，MN SB //，

∴SB AM ⊥， SB AC ⊥，∴⊥SB 平面SAC ， ∴SA SB ⊥，SC SB ⊥

， SA SB ⊥，SA BC ⊥， ∴⊥SA 平面SBC ，∴SC SA ⊥，

(3)题-1

A

故三棱锥ABC S -的三棱条侧棱两两互相垂直，

∴36)32()32()32()2(2222=++=R ，即3642=R ， ∴正三棱锥ABC S -外接球的表面积是π36

（4）在四面体S ABC -中，ABC SA 平面⊥，,1,2,120====∠︒AB AC SA BAC 则该四面体的

外接球的表面积为（ D ）π11.A π7.B π310.

C π3

40.D （5）如果三棱锥的三个侧面两两垂直，它们的面积分别为6、4、3，那么它的外接球的表面积是

（6）已知某几何体的三视图如图所示，三视图是腰长为1的等腰直角三角形和边长为1的正

方形，则该几何体外接球的体积为

解析：（4）在ABC ∆中，7120cos 2222=⋅⋅-+= BC AB AB AC BC ，

7=BC ，ABC ∆的外接球直径为3

7

22

37sin 2=

=∠=

BAC BC r ， ∴340

4)3

72(

)2()2(2222=

+=+=SA r R ，340π=S ，选D （5）三条侧棱两两生直，设三条侧棱长分别为c b a ,,（+∈R c b a ,,），则

⎪⎩

⎪⎨⎧===6812

ac bc ab ，∴24=abc ，∴3=a ，4=b ，2=c ，29)2(2222=++=c b a R ，ππ2942

==R S ，

（6）3)2(2222=++=c b a R ，4

3

2=

R ，23=R

πππ2

383334343=⋅==R V ，

类型二、垂面模型（一条直线垂直于一个平面） 1．题设：如图5，⊥PA 平面ABC 解题步骤：

第一步：将ABC ∆画在小圆面上，A 为小圆直径的一个端点，作小圆的直

径AD ，连接PD ，则PD 必过球心O ；

P

O

C

A

P

第二步：1O 为ABC ∆的外心，所以⊥1OO 平面ABC ，算出小圆1O 的半

径r D O =1（三角形的外接圆直径算法：利用正弦定理，得

r C c B b A a 2sin sin sin ===），PA OO 2

1

1=； 第三步：利用勾股定理求三棱锥的外接球半径：①222)2()2(r PA R +=⇔22)2(2r PA R +=； ②2122OO r R +=⇔2

12OO r R +=

2．题设：如图6，7，8，P 的射影是ABC ∆的外心⇔三棱锥ABC P -的三条侧

棱相等⇔三棱锥ABC P -的底面ABC ∆在圆锥的底上，顶点P 点也是圆锥的顶点

图6

P

A

D

O 1

O

C

B

图7-1

P

A

O 1O C

B

图7-2

P

A

O 1

O C

B

图8

P

A

O 1

O

C

B

图8-1

D

P

O

O 2

A

B

C

图8-2

P

O

O 2A

B

C

图8-3

D

P

O

O 2

A

B

解题步骤：

第一步：确定球心O 的位置，取ABC ∆的外心1O ，则1,,O O P 三点共线；

第二步：先算出小圆1O 的半径r AO =1，再算出棱锥的高h PO =1（也是圆锥的高）； 第三步：勾股定理：21212O O A O OA +=⇒222)(r R h R +-=，解出R 方法二：小圆直径参与构造大圆。

例2 一个几何体的三视图如右图所示，则该几何体外接球的表面积为( )C

A ．π3

B ．π2

C ．316π

D ．以上都不对

解：选C ，221)3(R R =+-,221323R R R =++-, 0324=-R ,